套管抗擠毀強度主要影響因素試驗研究

婁 琦，張廣路，張 丹，韓新利，楊 鵬，張 鈺

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.新疆油田分公司物資供應總公司，烏魯木齊830068）

套管抗擠毀強度主要影響因素試驗研究

婁 琦1，張廣路1，張 丹1，韓新利1，楊 鵬1，張 鈺2

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.新疆油田分公司物資供應總公司，烏魯木齊830068）

對17根177.80mm套管進行幾何尺寸測量、材料性能及外壓擠毀試驗，研究了幾何尺寸、屈服強度及殘余應力對套管抗擠毀強度的影響。結果表明：各因素綜合影響套管的抗擠毀強度；橢圓度變化＞0.5%、壁厚不均勻度＞10%或其不同截面間變化＞5%均將明顯降低套管的抗擠毀強度；橢圓度及其不同截面間變化＜0.2%，將明顯提高套管的抗擠毀強度。在屈服強度達到鋼級要求的同時，控制好套管的幾何尺寸精度并降低殘余應力，可以生產出具有較高抗擠毀強度的套管。

套管；抗擠毀強度；橢圓度；壁厚不均勻度；屈服強度；殘余應力

中厚壁套管承受的外壓使其內壁上的環(huán)向應力達到屈服極限時，就會發(fā)生塑性變形進而失穩(wěn)失效，即被擠毀。復雜的地層結構及地層蠕變造成套管擠毀，是套管失效的主要形式。提高套管的抗擠毀強度可以使其適用于更深的地層，提高油氣井的安全性，降低油氣井的開發(fā)成本。研究人員對套管抗擠毀性能的影響因素進行了理論試驗或模擬研究。研究表明［1－5］：套管的鋼級、徑厚比（D／t）、幾何缺陷（外徑橢圓度和壁厚不均勻度）、屈服強度和殘余應力等是影響套管抗擠毀性能的主要因素；對于確定鋼級和規(guī)格的套管，橢圓度、壁厚不均勻度、屈服強度等對抗擠毀強度的影響程度，目前尚存在不同的觀點［6－8］。本文結合套管全尺寸擠毀試驗結果，分析了影響套管抗擠毀性能的主要因素，并對各因素的影響程度進行了比較，可為理論和模擬研究套管抗擠毀性能提供試驗依據，并為生產具有較高抗擠毀性能套管提供經濟的控制方法。

1 試樣制備與試驗方法

試驗樣品分別在6根177.80mm×10.36mm P110套管（1?！?＃）、8根177.80mm×12.65 mm P110套管（7?！?4＃）和3根177.80mm× 10.36mm N80套管（15?！?7＃）上截取，取樣位置及試樣長度如圖1所示。

圖1 試樣截取位置及尺寸測量位置

按照如圖1所示的位置對擠毀試樣進行幾何尺寸測量，布置5個橫截面，每個橫截面設置8個點，每個點間隔45°。用游標卡尺分別測量E－F、G－H、M－N、O－P方向的直徑，用超聲波測厚儀測量每個點處的實際壁厚。分別按照式（1）～（2）計算套管的外徑橢圓度和壁厚不均勻度。

式中，Dmax、Dmin、Dave分別為同一截面測量的最大外徑、最小外徑、平均外徑。

式中，tcmax、tcmin、tcave分別為同一截面測量的最大壁厚、最小壁厚、平均壁厚。

拉伸試樣采用板狀矩形截面試樣，按照API Spec 5CT［9］的相關規(guī)定進行試驗。殘余應力試驗采用環(huán)切法，按照ASTM E1928［10］的方法進行測量并按照式（3）計算，即

式中，σres為殘余應力；E為彈性模量，取206.9×103MPa；tcave為實測平均壁厚；Dbc為切割前的平均外徑；Dac為切割后的平均外徑；μ為泊松比，取0.28。

全尺寸試樣的擠毀試驗按照API RP 5C5［11］及API TR 5C3［12］標準的相關要求進行。試驗設備為外壓擠毀試驗系統(tǒng)，采用潔凈水加壓，加壓速率≤35MPa／min。

2 試驗結果

2.1 橢圓度

試樣中每個橫截面的橢圓度及各截面間橢圓度的變化結果如圖2。在1?！?＃試樣中，4?！?＃試樣橢圓度均小于＜%，各截面間橢圓度的波動較小，1?！?＃試樣的橢圓度相對較大，其中3＃試樣各截面間的變化最大（如圖2a）。分析7?！?4＃試樣，7?！?4＃的橢圓度均＜0.5%，除7＃和8＃試樣的橢圓度變化略大外，其余試樣的變化范圍均＜0.2%（如圖2b）。比較15?！?7＃試樣，16＃試樣橢圓度較大且具有最大的跳躍波動變化，其變化值＞0.5%，17＃試樣具有最小的橢圓度及其變化范圍（如圖2c）。

圖2 橢圓度及其變化曲線

2.2 壁厚不均勻度

試樣中每個橫截面的壁厚不均勻度及各截面間的變化如圖3所示。比較1?！?＃試樣，1?！?＃試樣的壁厚不均勻度高于4?！?＃，4?！?＃試樣不均勻度均＜10%（如圖3a）。分析7＃～14＃試樣，其中9＃試樣不同截面間的變化范圍達到6%，為所有試樣中最大；而10＃試樣的壁厚不均勻度最大，均超過11%；其余試樣的壁厚不均勻度均＜10%，各截面間的變化也不明顯（如圖3b）。15＃～17＃試樣具有較好的壁厚精度（如圖3c）。

圖3 壁厚不均勻度及其變化曲線

2.3 屈服強度與殘余應力

試樣的屈服強度和殘余應力檢測值如表1～3。所有試樣的屈服強度均符合API Spec 5CT的要求（P110鋼級：758～965MPa，N80鋼級：552～758 MPa）。比較1?！?＃試樣可以看出，1?！?＃試樣的屈服強度和殘余應力均明顯高于4?！?＃。比較7?！?4＃試樣，12?！?4＃試樣的屈服強度明顯高于7＃和8＃試樣，而7＃和8＃試樣的殘余應力控制得最好。15＃、16＃和17＃試樣比較，15＃試樣的殘余應力略低于16＃和17＃試樣。

2.4 擠毀失效強度

17根試樣的外壓擠毀試驗結果如表1～3。其中，擠毀壓力為全尺寸試驗的失效載荷；臨界擠毀壓力按照API TR 5C3中塑形擠毀公式計算（采用套管最小屈服強度、名義外徑和名義壁厚）；計算壓力參照API TR 5C3中塑形擠毀壓力公式計算（采用套管實測屈服強度、名義外徑和名義壁厚）。如何衡量套管實際擠毀失效強度的優(yōu)劣，目前尚未有明確的規(guī)定［8］，通常認為擠毀壓力達到臨界擠毀壓力的1.20～1.25倍為抗擠毀套管［13］。從表1～3中可以看出：4?！?＃、11?！?4＃、15＃、17＃試樣具有較高的抗擠毀強度，即具有較好的抗擠毀性能；10＃和16＃試樣的抗擠毀失效強度較低。

表1 77.80mm×10.36mm P110套管的抗擠毀試驗結果

表1 77.80mm×10.36mm P110套管的抗擠毀試驗結果

試樣編號 1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃MPa 920 919 932 839 822 842殘余應力／MPa 284 239 270 119 113 124擠毀壓力／MPa 69.0 68.8 68.8 80.3 79.2 77.8臨界擠毀壓力／MPa 58.8 58.8 58.8 58.8 58.8 58.8計算壓力／MPa 64.6 64.6 65.0 61.9 61.3 62.1擠毀壓力／臨界壓力 1.17 1.17 1.17 1.37 1.35 1.32擠毀壓力／計算壓力屈服強度／1.07 1.07 1.06 1.30 1.29 1.25

表2 177.80mm×12.65mm P110套管的抗擠毀試驗結果

表2 177.80mm×12.65mm P110套管的抗擠毀試驗結果

試樣編號 7＃ 8＃ 9＃ 10＃ 11＃ 12＃ 13＃ 14＃屈服強度／MPa 762 773 847 832 854 918 912 925殘余應力／MPa 59 39 106 118 86 103 115 96擠毀壓力／MPa 104.0 104.7 103.3 99.1 113.0 117.4 115.8 119.1臨界擠毀壓力／MPa 89.8 89.8 89.8 89.8 89.8 89.8 89.8 89.8計算壓力／MPa 90.2 91.1 97.5 96.2 98.1 103.2 102.8 103.8擠毀壓力／臨界壓力 1.16 1.17 1.15 1.10 1.26 1.31 1.29 1.33失效壓力／計算壓力1.15 1.15 1.06 1.03 1.15 1.14 1.13 1.15

表3 177.80mm×10.36mm N80套管的抗擠毀試驗結果

表3 177.80mm×10.36mm N80套管的抗擠毀試驗結果

試樣編號 15＃ 16＃ 17＃屈服強度／MPa 640 632 655殘余應力／MPa 104 128 124擠毀壓力／MPa 63.7 51.5 61.5臨界擠毀壓力／MPa 48.4 48.4 48.4計算壓力／MPa 53.2 52.8 54.0擠毀壓力／臨界壓力 1.32 1.06 1.27擠毀壓力／計算壓力1.20 0.97 1.14

3 主要影響因素及原因分析

3.1 屈服強度

擠毀壓力與臨界壓力的比值可以直觀地表述試樣的抗擠毀強度，擠毀壓力與計算壓力的比值則可以用來衡量屈服強度之外的因素對套管抗擠毀強度的影響。7＃和8＃試樣的兩種比值基本無差別，說明屈服強度之外的因素對7＃和8＃試樣的影響較小，屈服強度對其抗擠毀強度起決定作用。這2根試樣具有最小的殘余應力值，較低的幾何缺陷及其波動變化，并沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的抗擠毀性能，關鍵在于其屈服強度較低，接近P110鋼級標準要求下限。由此可見，屈服強度是影響套管抗擠毀強度的關鍵因素。單獨考慮屈服強度的影響，套管的抗擠毀強度隨著屈服強度的增大而提高。API標準對套管臨界抗擠毀強度的要求也是隨著屈服強度的增大而提高。所以，為了獲得優(yōu)異的抗擠毀強度，套管材料的屈服強度應接近相應鋼級標準規(guī)定范圍上限。

材料的屈服強度對抗擠毀性能起關鍵性作用，但并非唯一影響因素。1＃、2＃、4＃試樣的橢圓度、壁厚不均勻性及殘余應力水平相對較高，雖然其屈服強度均高于4＃、5＃、6＃試樣，但其抗擠毀強度均低于4＃、5＃、6＃試樣。充分說明幾何缺陷及殘余應力也明顯影響套管的抗擠毀性能。

3.2 幾何缺陷

實際套管不可能加工成理想圓管。套管存在一定的初始幾何缺陷，即存在同一橫截面上的外徑及壁厚偏差，分別用橢圓度和壁厚不均勻度來衡量。套管的抗擠毀強度隨著橢圓度和壁厚不均度的增加近似呈線性比例下降［14］。因此，在材料性能方面具有較高的屈服強度的套管，不一定會具有較高的抗擠毀強度。在實際應用中，套管因承受非均勻載荷時，其抗擠毀能力將明顯降低。從文中的試驗數據可以發(fā)現(xiàn)，同一根套管的橢圓度和壁厚不均勻度在不同的測量截面之間存在波動變化。套管在試驗環(huán)境中的均勻外力載荷的作用下，也會因這種波動變化的存在而承受非均勻的載荷，而且跳躍性變化越大，其承受的非均勻載荷的程度越高，越容易發(fā)生失穩(wěn)變形失效［1］。在其他影響因素相當的條件下，16＃試樣的橢圓度波動變化超過0.5%，相比15＃和17＃試樣，16＃擠毀壓力顯著降低；9＃試樣的壁厚不均勻度波動變化超過5%，其抗擠毀強度明顯低于11＃試樣。10＃試樣各截面處的壁厚不均勻度均超過10%，成為影響其抗擠毀強度的主要原因。具有較好抗擠毀性能的4?！?＃試樣的橢圓度＜0.2%。所以，要使套管具有良好的抗擠毀性能，必須具備較高的尺寸精度和較小的波動變化，為獲得優(yōu)異的抗擠毀性能，套管橢圓度應＜0.2%，壁厚不均勻度應控制在10%以內。

3.3 殘余應力

套管在加工的過程中，尤其是熱處理后的矯直工序使套管中存在一定的殘余應力是不可避免的。殘余應力的存在將明顯降低材料的彈性極限，進而引起抗擠毀強度的降低［15］。4?！?＃試樣的屈服強度在要求范圍的中間水平，橢圓度均＜0.2%，具有較小的殘余應力及壁厚不均勻度，表現(xiàn)出了較好的抗擠毀性能。與之相比，1?！?＃試樣的殘余應力為4＃～6＃試樣的2.0～2.5倍，雖屈服強度接近P110鋼級要求的上限，實際擠毀壓力遠低于4?！?＃試樣。另外，15＃試樣與17＃試樣比較，二者的幾何缺陷水平相當，17＃試樣的屈服強度高于15＃試樣，而17＃試樣的抗擠毀性能相對較小，這主要是因為15＃試樣具有相對較低的殘余應力。試驗數據表明：在套管的生產過程中，必須采取合理的矯直步驟，嚴格控制殘余應力的產生，以此提高套管的抗擠毀強度。

綜上分析，具有較高的屈服強度、較高的幾何尺寸精度（即較低的橢圓度及波動變化、較低的壁厚不均勻度及波動變化）和較低的殘余應力，有利于套管得到較好的抗擠毀性能。對于套管的實際抗擠毀性能的提高，需要綜合考慮上述因素的作用，材料的屈服強度滿足標準要求的下限是不夠的，至少要達到標準要求的中間值。明顯增加屈服強度需要優(yōu)化合金成分設計及軋制工藝進而使生產成本增加，在生產過程中控制套管的幾何尺寸精度尤其是波動變化范圍并降低殘余應力，是更經濟可行的提高套管抗擠毀性能的方法。通過12＃、14＃試樣的試驗結果可見，使套管具有較高的屈服強度的同時，具有優(yōu)異的幾何尺寸精度和較低的殘余應力，是生產出性能優(yōu)異的高抗擠毀套管的基本要求。

4 結論

1） 幾何缺陷、屈服強度和殘余應力等因素綜合影響套管的抗擠毀性能。提高套管的屈服強度（鋼級）、降低幾何缺陷和殘余應力，可使其具有較好的抗擠毀性能。

2） 橢圓度的波動變化＞0.5%，將明顯降低套管的抗擠毀性能，套管的橢圓度及其波動變化范圍＜0.2%將明顯提高其抗擠毀強度。

3） 壁厚不均勻度＞10%，或其波動變化范圍＞5%，將明顯降低套管的抗擠毀性能。

4） 保證屈服強度達到相應鋼級中等水平的同時，控制好套管的幾何尺寸精度尤其是波動變化范圍，并降低殘余應力，可以生產出滿足本鋼級要求的具有較高抗擠毀性能的套管，并具有較好的經濟性。

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Experimental Study on Influence Factors of Casing Collapse Resistance Strength

LOU Qi1，ZHANG Guang－lu1，ZHANG Dan1，HAN Xin－li1，YANG Peng1，ZHANG Yu2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an710065，China；2.Material Supply Company，Xinjiang Oilfield Company，Urumqi 830068，China）

Study each factor influence for casing collapse resistance strength based on full scale collapse test results of seventeen177.80mm casings and there geometry and material properties test results.The results show that casing collapse resistance strength was influenced by geometry accuracy，yield strength and residual stress together.Ovality variation more than 0.5%，eccentricity more than 10%，or eccentricity variation more than 5%，casing collapse resistance strength will be reduced obviously.Ovality and there variation less than 0.2%，casing collapse resistance strength will be increased obviously.Casing with excellent collapse resistance strength will be produced through making yield strength in appropriate level，controlling the geometry accuracy and reducing residual stress.

casing；collapse resistance strength；ovality；eccentricity；yield strength；residual stress

1001－3482（2012）06－0038－05

TE931.207

A

2011－12－02

婁 琦（1981－），女，山東齊河人，工程師，碩士，畢業(yè)于中國石油大學（華東）材料學專業(yè)，現(xiàn)從事油井管試驗研究工作，E－mail：upclq＠163.com。